양자 센서로 극한 압력 하 물질 변환 밝혀내다

다이아몬드 앤빌 셀은 지구 맨틀 깊은 곳의 분쇄 압력 같은 극한 현상을 재현하거나, 강한 압력에서만 유발되는 화학 반응을 가능케 하는 등 실험실 장치 내에서 다양한 극한 환경을 구현한다. 새로운 고성능 소재를 개발하려면 자성과 강도 같은 유용한 특성이 그런 가혹 조건에서 어떻게 변하는지 이해해야 한다. 하지만 충분한 감도로 이런 특성을 측정하려면 다이아몬드 앤빌 셀 내부 분쇄력을 견딜 수 있는 센서가 필요하다. 다이아몬드 앤빌 내부의 자연적 원자 결함을 미세 양자 센서로 바꿔, 기존 센서로는 불가능한 광범위한 실험의 문을 여는 도구를 개발했다.

원자 수준에서 다이아몬드는 사면체 결정 구조로 결합된 탄소 원자들 덕분에 견고하다. 하지만 다이아몬드 형성 시 일부 탄소 원자가 '격자 자리(lattice site)', 즉 크리스탈 구조에서 지정된 주차 자리 같은 공간에서 밀려날 수 있다. 질소 원자 불순물이 결정 속에 갇혀 빈 자리와 인접하면 특수한 원자 결함이 형성된다: 질소-공석(NV) 센터. 과학자들은 NV 센터를 미세 센서로 사용해 단일 단백질 자성, 단일 전자 전기장, 살아있는 세포 내부 온도 등을 측정해 왔다.

NV 센터의 고유한 감지 특성을 활용하기 위해 연구자들은 다이아몬드 앤빌 내부에 직접 얇은 NV 센터 층을 엔지니어링해 고압 챔버 내부의 물리를 스냅샷으로 촬영했다. 10분의 1 캐럿 다이아몬드 안에 수백 원자 두께의 NV 센터 층을 생성한 후, 연구자들은 NV 센서들이 다이아몬드 앤빌 셀의 고압 챔버를 측정하는 능력을 테스트했다.

레이저 빛으로 여기되면 센서들은 선명한 붉은색으로 빛난다. 이 형광 밝기를 탐침해 연구자들은 센서들이 환경의 작은 변화에 어떻게 반응하는지 볼 수 있었다. NV 센서들은 다이아몬드 앤빌의 한때 평평하던 표면이 압력 아래 중앙에서 휘기 시작함을 시사했다. 이 현상을 '쿠핑(cupping)'이라 부르며, 앤빌 팁 중앙으로 압력이 집중되는 현상이다.

이제 NV 센터를 다이아몬드 앤빌 셀에 엔지니어링하는 방법을 입증했으니, 연구자들은 이 장치를 사용해 초전도 수소화물의 자기적 행동을 탐구할 계획이다. 이 물질들은 고압에서 상온 근방에서 무손실 전도성을 보여 에너지 저장과 전송 방식에 혁명을 일으킬 수 있다.